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摘要：随着公共建筑的建设的快速发展，各种大型，超长型地下室出现越来越多。由于混凝土结构的一些自身原因目前高层建筑混凝土地下室裂缝现象相当普遍，渗漏不仅影响使用，还会降低耐久性。本文结合某世贸中心地下室的结构设计，浅谈超长地下室混凝土结构裂缝产生的原因，控制的一些有效的设计措施及施工关键注意事项。
关键词：超长地下室；混凝土墙；裂缝渗漏；控制措施
前言
根据相关文献记载，在全国调查的高层建筑地下结构中，底板出现裂缝的现象占调查总数的20％左右，地下室的外墙混凝土出现裂缝的现象占调查总数的80％左右。所以，混凝土结构的裂缝是建筑工程长期困扰的一个技术难题，一直未能很好地解决。國内外工程技术界都认为，规定钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度主要是为了保证钢筋不产生锈蚀。我国规范(GB50010-2002)规定了地下室允许最大裂缝宽度为0.2mm（环境类别为二类）。根据国内外的调查资料，工程实践中结构物的裂缝原因，属于由变形变化(温度、湿度、地基变形)引起的约占80％以上，属于荷载引起的约占20％左右。
1 工程概况
某世贸中心位于市区内，其地下室为二层地下室，深为9米，抗浮水位为7.5米，长度为270余米，宽度为200余米，单层建筑面积约5.5万平方米。因上部建筑功能的要求，地下室柱网排列很不规则，在平面上由几个矩形和圆弧相交而成，因此其受力关系比较复杂。基础采用嵌岩桩加防水板的做法。人防区底板厚800mm，非人防区底板厚600mm.混凝土强度等级为C40P8。
地下室混凝土墙、底板裂缝的主要特征：
(1)外墙绝大多数裂缝为竖向裂缝，多数缝长接近墙高，两端逐渐变细而消失。底板裂缝垂直与底板长向，一般出现在板跨中间部位，呈规则状。
(2)裂缝数量较多，宽度一般不大，超过0.3mm宽的裂缝很少见，大多数缝宽度≤0.2mm。
(3)沿地下室墙长两端附近裂缝较少，墙长中部附近较多。
(4)外墙第一道裂缝出现在离扶壁柱2米左右。
(5)裂缝往往在砼浇筑的60天之内出现，随着时间加长，裂缝数量增多，但缝宽加大不多，发展情况与混凝土是否暴露在大气中和暴露时间的长短有关。
2 裂缝主要原因
2.1混凝土收缩
从裂缝特征可见大多数均属收缩裂缝。下面就从收缩应力角度分析超长地下室底板裂缝产生的机理。超长地下室底板在收缩变形作用下，混凝土会产生由两端向中心收缩运动的趋势，这一趋势必然受到地基土的约束，因此底板混凝土的全截面将出现拉应力，即水平法向应力σx。从工程实践可知，σx 是设计主要控制应力，是引起混凝土板内垂直裂缝的主要应力。此外地基土对地下室底板的这种约束为沿底板长向的连续式约束，因此从端部向中心，混凝土截面上的水平法向应力σx将由于这种约束的不断积累而越来越大，水平法向应力最大值σmax出现在板截面的中点处，如图二所示。当σmax超过混凝土的抗拉强度(ft)时，板中部将出现第一条垂直裂缝;混凝土板开裂后，每块板的水平裂缝将重新分布，最大应力σ′x将出现在每块板的中部，当σ′x>ft，又形成第二批裂缝，如此继续，直到σ′x
图二底板主要应力图
图三应力-裂缝分布示意图
2.2设计问题
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）规定：现浇钢筋混凝土墙伸缩缝的最大间距为20（露天）-30m（室内或土中），但实际工程中墙长均超过此规定。需要指出的是，一些工程设计突破了规范规定后，地下室墙的水平钢筋仍按构造配置，这是墙较易裂缝的又一因素。
2.3温差过大
包括混凝土内外温差大、昼夜温差、日照下混凝土阴阳面的温差、拆模过早及气候突变等因素的影响。砼在浇筑后，由于水泥的水化作用，释放大量的水化热，因为砼构件表面与构件截面中部温差超过25℃就引起砼内部裂缝，构件表面温度和周围空气温差超过25℃，就引起构件表面裂缝。砼浇筑后温度提高，砼初期体积有微膨胀作用，以后温度下降体积急剧收缩。砼除了温度收缩外，还有较大的化学收缩和干燥收缩，砼早期（10天-15天）极限拉伸很低，这造成砼的早期裂缝。因砼的收缩，较高的弹性模量和早期低徐变，会使砼内部产生较大的拉应力，超过砼的极限拉伸，则是造成砼后期裂缝的主要原因。
砼在浇筑一个月左右，完成收缩40%，60天内完成收缩65%，20年后完砼收缩的98%。砼的收缩变形是一个初期大，以后逐渐减少的过程。
2.4混凝土强度高
一般地下室尤其是高层建筑的地下室混凝土等级都比较高。高强度混凝土由于水灰比，水泥含量等原因混凝土的收缩量比较大。
3 地下室混凝土裂缝控制的几点措施
根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)，现浇钢筋砼地下室墙壁最大间距为20m（室外）、30m（室内或土中），而又同时说明了对下列情况，如有充分依据和可靠措施，伸缩缝最大间距可适当加大。
(1)砼浇筑采用后浇带分段施工。
(2)采用专门的预应力措施。
(3)采取能减少砼温度变化或砼收缩的措施。
当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和砼收缩对结构的影响。伸缩缝虽然是根本解决砼收缩裂缝的措施，也有许多缺点，主要是造价高，地下室不能连成整体，影响功能，伸缩缝的防水处理比较麻烦，防水效果并不理想，同时近几年来超长砼结构的无缝设计与施工技术不断实践与发展，且有许多成功的工程应用，取得良好的效益。
采取的主要措施有以下这点：
3.1 补偿收缩砼
即在砼中渗入UEA、HEA等微膨胀剂。例如用UEA膨胀剂，以10~15%等量取代水泥，拌制成补偿收缩砼，其限制膨胀率ξ2=0.02~0.05%，按公式α=µESξ2，可在砼中建立0.2~0.7MPa的预压应力，从而抵制砼在硬化过程中全部或大部分拉应力，以砼的膨胀值减去砼的最终收缩值的差值大于或等于砼的极限拉伸即可控制裂缝: ξ2–Sm≧ξp，使砼结构不裂。
3.2 膨胀带
由于砼中膨胀剂的膨胀变形不会与砼的早期收缩变形完全补偿，为了实现砼连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩砼带，根据一些工程实践，一般超过60m设置膨胀加强带。膨胀带要求设置在砼收缩应力发生最大部位，一般地板和侧墙长度方向的中间位置。对于超过普通砼伸缩缝设置间距的超长砼结构，要进行连续无缝施工可设置多条膨胀加强带。
作用：
(1)膨胀加强带砼的设计强度常比相邻的砼设计强度提高5MPa-10MPa，从而提高膨胀加强带砼的抗拉强度，防止砼在此部位开裂。
(2)膨胀带内砼的膨胀剂应比带外其它砼掺量高一点，产生较大膨胀，而两侧砼的膨胀率较小，形成中部大两边小的膨胀区，从而补偿相应的收缩曲线，使任意长度可以不设伸缩缝。
做法：膨胀加强带宽2-3m，带的两侧布置中5mm的密孔钢丝网，将带内砼和带外砼分开，为的是不让砼中石子通过，钢丝网垂直布置在上下层（或内外层）钢筋之间，网两端分别绑扎在钢筋上。膨胀带内增设10%水平温度加强钢筋。与膨胀带方向垂直布置，两端伸出膨胀带2m各与上下层（内外层）钢筋固定，配筋直径减小，间距加密。由于设置膨胀带主要是为了避免砼早期收缩变形，故膨胀带的保留时间可为10—15天，这比传统后浇带缩短30天的工期。满足工程连续无缝设计施工的要求。
3.3 后浇带
后浇带作为膨胀加强带一样作为砼早期短时期释放约束力的一种技术措施，较长久性变形缝已有很大的改进并广泛应用。
结构长度是影响温度应力的因素之一，但只在一方范围对温度收缩应力较为显著，因此设置后浇带是“先放后抗、以放为主”的主要技术措施。后浇带的设计做法也各不相同。尤其是帶内钢筋是否断开，有的不但钢筋连续，还做加强筋连接。带的宽度具体多少为宜各不相同，认为：
(1)尽量减少穿越后浇带钢筋的总量，以尽可能释放砼的收缩应力。对于楼板内钢筋和侧壁，由于焊接或搭接施工比较方便均应作断开处理。由于梁钢筋连接焊接等施工比较困难，可以留一部分连续钢筋，尽量切断梁腹纵向钢筋和梁顶纵筋截断，保留梁底钢筋连续贯通。
(2)后浇带宽度内钢筋抗拉刚度EAs远比后浇带两侧砼的抗拉刚度EA小，拉伸变形将主要由后浇带宽度范围内的钢筋提供，对于钢筋全部截断的后浇带，理论上宽度仅有100mm就可以了，为施工方便常取800-1000mm，但对于钢筋连续的后浇带，尽可能增大后浇带的宽度。
(3)后浇带保留时间为42~60d，一般为60d，这样早期温差和砼收缩完成30—50%。
(4)材料：用高一等级的微膨胀砼封闭，并进行不少于15d的砼养护。
(5)位置：设在梁墙内力较小位置，后浇带间距为30~40m。后浇带可做成企口式，在浇砼前，必须凿毛清理干净。
3.4 提高钢筋砼的抗拉能力
砼的抗裂能力取决于砼的极限拉伸值，根据有关资料：混凝土的极限拉伸值与配筋有关。固此，砼应考虑增加抗变形钢筋，即增强对砼由于长期干缩和气温度化引起的热胀冷缩的抗变形能力。对于侧壁，增加水平温度筋，在砼面层起强化作用。选择冷轧带肋钢筋，冷轧扭钢筋，明显增强砼的抗裂能力。在墙柱连接处设水平附加筋，附加筋的长度为1500～2000mm，配筋率提高10%～15%。钢筋在保持总面积不变的情况下，根据直经小，钢筋布置间距密的方式选择钢筋，能减少裂缝的最大宽度。同时也要考虑砼易于振捣密实。
混凝土结构设计规范(GB50010—2002)规定：地下室等与土体直接接触的砼构件最大裂缝宽度充许值为0.2mm。当裂缝宽度为0.1～0.2mm，水进入砼与水泥产生反应，砼具有自愈能力。裂缝若控制在0.1mm以内时，则所配钢筋数量增多而不经济。侧壁受底板和顶板的约束，砼胀缩不一致，可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力，水平构造筋放在竖筋的外侧，有利于控制墙体裂缝的发生。
3.5 施工措施
(1)优化砼配合比设计：通过试验优选合适的外加剂和掺合料，适当降低水灰比和减少水泥用量，选用水化热低的矿渣硅酸盐水泥，选用优质粉煤灰，砂和石含泥量要小，级配良好。对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%～50%。
(2)砼应严格振捣密实，提高砼密实度。
(3)落实好砼浇筑后的养护措施，尽量做好保湿保温养护，既可使砼初期获得更高的强度，还可减少砼的温度应力与收缩应力，养护时间在14d以上。
(4)降低室外温差的影响。夏季施工时应尽量避免在烈日下浇筑楼板砼。降低砼的入模温度。地板垫层上干铺油毡作滑动层。地下室四周土要及时回填，且应分层夯实，既加强地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，又可尽快避免室外温度变化对侧壁的影响。
4、.结束语
由于存在防水问题和建筑功能上的要求，对于地下室结构建筑师以及建设方希望不设缝或尽量少设缝。在超长地下室结构中出现不同程度、不同形式的裂缝，这是一个相当普遍的现象。要根据现场的实际情况进行动态控制,分区域采取相应的技术措施,以保证整个项目的总体施工质量达到设计要求。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：超长地下室；混凝土墙；裂缝渗漏；控制措施
前言
根据相关文献记载，在全国调查的高层建筑地下结构中，底板出现裂缝的现象占调查总数的20％左右，地下室的外墙混凝土出现裂缝的现象占调查总数的80％左右。所以，混凝土结构的裂缝是建筑工程长期困扰的一个技术难题，一直未能很好地解决。國内外工程技术界都认为，规定钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度主要是为了保证钢筋不产生锈蚀。我国规范(GB50010-2002)规定了地下室允许最大裂缝宽度为0.2mm（环境类别为二类）。根据国内外的调查资料，工程实践中结构物的裂缝原因，属于由变形变化(温度、湿度、地基变形)引起的约占80％以上，属于荷载引起的约占20％左右。
1 工程概况
某世贸中心位于市区内，其地下室为二层地下室，深为9米，抗浮水位为7.5米，长度为270余米，宽度为200余米，单层建筑面积约5.5万平方米。因上部建筑功能的要求，地下室柱网排列很不规则，在平面上由几个矩形和圆弧相交而成，因此其受力关系比较复杂。基础采用嵌岩桩加防水板的做法。人防区底板厚800mm，非人防区底板厚600mm.混凝土强度等级为C40P8。
地下室混凝土墙、底板裂缝的主要特征：
(1)外墙绝大多数裂缝为竖向裂缝，多数缝长接近墙高，两端逐渐变细而消失。底板裂缝垂直与底板长向，一般出现在板跨中间部位，呈规则状。
(2)裂缝数量较多，宽度一般不大，超过0.3mm宽的裂缝很少见，大多数缝宽度≤0.2mm。
(3)沿地下室墙长两端附近裂缝较少，墙长中部附近较多。
(4)外墙第一道裂缝出现在离扶壁柱2米左右。
(5)裂缝往往在砼浇筑的60天之内出现，随着时间加长，裂缝数量增多，但缝宽加大不多，发展情况与混凝土是否暴露在大气中和暴露时间的长短有关。
2 裂缝主要原因
2.1混凝土收缩
从裂缝特征可见大多数均属收缩裂缝。下面就从收缩应力角度分析超长地下室底板裂缝产生的机理。超长地下室底板在收缩变形作用下，混凝土会产生由两端向中心收缩运动的趋势，这一趋势必然受到地基土的约束，因此底板混凝土的全截面将出现拉应力，即水平法向应力σx。从工程实践可知，σx 是设计主要控制应力，是引起混凝土板内垂直裂缝的主要应力。此外地基土对地下室底板的这种约束为沿底板长向的连续式约束，因此从端部向中心，混凝土截面上的水平法向应力σx将由于这种约束的不断积累而越来越大，水平法向应力最大值σmax出现在板截面的中点处，如图二所示。当σmax超过混凝土的抗拉强度(ft)时，板中部将出现第一条垂直裂缝;混凝土板开裂后，每块板的水平裂缝将重新分布，最大应力σ′x将出现在每块板的中部，当σ′x>ft，又形成第二批裂缝，如此继续，直到σ′x
图二底板主要应力图
图三应力-裂缝分布示意图
2.2设计问题
《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）规定：现浇钢筋混凝土墙伸缩缝的最大间距为20（露天）-30m（室内或土中），但实际工程中墙长均超过此规定。需要指出的是，一些工程设计突破了规范规定后，地下室墙的水平钢筋仍按构造配置，这是墙较易裂缝的又一因素。
2.3温差过大
包括混凝土内外温差大、昼夜温差、日照下混凝土阴阳面的温差、拆模过早及气候突变等因素的影响。砼在浇筑后，由于水泥的水化作用，释放大量的水化热，因为砼构件表面与构件截面中部温差超过25℃就引起砼内部裂缝，构件表面温度和周围空气温差超过25℃，就引起构件表面裂缝。砼浇筑后温度提高，砼初期体积有微膨胀作用，以后温度下降体积急剧收缩。砼除了温度收缩外，还有较大的化学收缩和干燥收缩，砼早期（10天-15天）极限拉伸很低，这造成砼的早期裂缝。因砼的收缩，较高的弹性模量和早期低徐变，会使砼内部产生较大的拉应力，超过砼的极限拉伸，则是造成砼后期裂缝的主要原因。
砼在浇筑一个月左右，完成收缩40%，60天内完成收缩65%，20年后完砼收缩的98%。砼的收缩变形是一个初期大，以后逐渐减少的过程。
2.4混凝土强度高
一般地下室尤其是高层建筑的地下室混凝土等级都比较高。高强度混凝土由于水灰比，水泥含量等原因混凝土的收缩量比较大。
3 地下室混凝土裂缝控制的几点措施
根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)，现浇钢筋砼地下室墙壁最大间距为20m（室外）、30m（室内或土中），而又同时说明了对下列情况，如有充分依据和可靠措施，伸缩缝最大间距可适当加大。
(1)砼浇筑采用后浇带分段施工。
(2)采用专门的预应力措施。
(3)采取能减少砼温度变化或砼收缩的措施。
当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和砼收缩对结构的影响。伸缩缝虽然是根本解决砼收缩裂缝的措施，也有许多缺点，主要是造价高，地下室不能连成整体，影响功能，伸缩缝的防水处理比较麻烦，防水效果并不理想，同时近几年来超长砼结构的无缝设计与施工技术不断实践与发展，且有许多成功的工程应用，取得良好的效益。
采取的主要措施有以下这点：
3.1 补偿收缩砼
即在砼中渗入UEA、HEA等微膨胀剂。例如用UEA膨胀剂，以10~15%等量取代水泥，拌制成补偿收缩砼，其限制膨胀率ξ2=0.02~0.05%，按公式α=µESξ2，可在砼中建立0.2~0.7MPa的预压应力，从而抵制砼在硬化过程中全部或大部分拉应力，以砼的膨胀值减去砼的最终收缩值的差值大于或等于砼的极限拉伸即可控制裂缝: ξ2–Sm≧ξp，使砼结构不裂。
3.2 膨胀带
由于砼中膨胀剂的膨胀变形不会与砼的早期收缩变形完全补偿，为了实现砼连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩砼带，根据一些工程实践，一般超过60m设置膨胀加强带。膨胀带要求设置在砼收缩应力发生最大部位，一般地板和侧墙长度方向的中间位置。对于超过普通砼伸缩缝设置间距的超长砼结构，要进行连续无缝施工可设置多条膨胀加强带。
作用：
(1)膨胀加强带砼的设计强度常比相邻的砼设计强度提高5MPa-10MPa，从而提高膨胀加强带砼的抗拉强度，防止砼在此部位开裂。
(2)膨胀带内砼的膨胀剂应比带外其它砼掺量高一点，产生较大膨胀，而两侧砼的膨胀率较小，形成中部大两边小的膨胀区，从而补偿相应的收缩曲线，使任意长度可以不设伸缩缝。
做法：膨胀加强带宽2-3m，带的两侧布置中5mm的密孔钢丝网，将带内砼和带外砼分开，为的是不让砼中石子通过，钢丝网垂直布置在上下层（或内外层）钢筋之间，网两端分别绑扎在钢筋上。膨胀带内增设10%水平温度加强钢筋。与膨胀带方向垂直布置，两端伸出膨胀带2m各与上下层（内外层）钢筋固定，配筋直径减小，间距加密。由于设置膨胀带主要是为了避免砼早期收缩变形，故膨胀带的保留时间可为10—15天，这比传统后浇带缩短30天的工期。满足工程连续无缝设计施工的要求。
3.3 后浇带
后浇带作为膨胀加强带一样作为砼早期短时期释放约束力的一种技术措施，较长久性变形缝已有很大的改进并广泛应用。
结构长度是影响温度应力的因素之一，但只在一方范围对温度收缩应力较为显著，因此设置后浇带是“先放后抗、以放为主”的主要技术措施。后浇带的设计做法也各不相同。尤其是帶内钢筋是否断开，有的不但钢筋连续，还做加强筋连接。带的宽度具体多少为宜各不相同，认为：
(1)尽量减少穿越后浇带钢筋的总量，以尽可能释放砼的收缩应力。对于楼板内钢筋和侧壁，由于焊接或搭接施工比较方便均应作断开处理。由于梁钢筋连接焊接等施工比较困难，可以留一部分连续钢筋，尽量切断梁腹纵向钢筋和梁顶纵筋截断，保留梁底钢筋连续贯通。
(2)后浇带宽度内钢筋抗拉刚度EAs远比后浇带两侧砼的抗拉刚度EA小，拉伸变形将主要由后浇带宽度范围内的钢筋提供，对于钢筋全部截断的后浇带，理论上宽度仅有100mm就可以了，为施工方便常取800-1000mm，但对于钢筋连续的后浇带，尽可能增大后浇带的宽度。
(3)后浇带保留时间为42~60d，一般为60d，这样早期温差和砼收缩完成30—50%。
(4)材料：用高一等级的微膨胀砼封闭，并进行不少于15d的砼养护。
(5)位置：设在梁墙内力较小位置，后浇带间距为30~40m。后浇带可做成企口式，在浇砼前，必须凿毛清理干净。
3.4 提高钢筋砼的抗拉能力
砼的抗裂能力取决于砼的极限拉伸值，根据有关资料：混凝土的极限拉伸值与配筋有关。固此，砼应考虑增加抗变形钢筋，即增强对砼由于长期干缩和气温度化引起的热胀冷缩的抗变形能力。对于侧壁，增加水平温度筋，在砼面层起强化作用。选择冷轧带肋钢筋，冷轧扭钢筋，明显增强砼的抗裂能力。在墙柱连接处设水平附加筋，附加筋的长度为1500～2000mm，配筋率提高10%～15%。钢筋在保持总面积不变的情况下，根据直经小，钢筋布置间距密的方式选择钢筋，能减少裂缝的最大宽度。同时也要考虑砼易于振捣密实。
混凝土结构设计规范(GB50010—2002)规定：地下室等与土体直接接触的砼构件最大裂缝宽度充许值为0.2mm。当裂缝宽度为0.1～0.2mm，水进入砼与水泥产生反应，砼具有自愈能力。裂缝若控制在0.1mm以内时，则所配钢筋数量增多而不经济。侧壁受底板和顶板的约束，砼胀缩不一致，可在墙体中部设一道水平暗梁抵抗拉力，水平构造筋放在竖筋的外侧，有利于控制墙体裂缝的发生。
3.5 施工措施
(1)优化砼配合比设计：通过试验优选合适的外加剂和掺合料，适当降低水灰比和减少水泥用量，选用水化热低的矿渣硅酸盐水泥，选用优质粉煤灰，砂和石含泥量要小，级配良好。对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%～50%。
(2)砼应严格振捣密实，提高砼密实度。
(3)落实好砼浇筑后的养护措施，尽量做好保湿保温养护，既可使砼初期获得更高的强度，还可减少砼的温度应力与收缩应力，养护时间在14d以上。
(4)降低室外温差的影响。夏季施工时应尽量避免在烈日下浇筑楼板砼。降低砼的入模温度。地板垫层上干铺油毡作滑动层。地下室四周土要及时回填，且应分层夯实，既加强地下室顶板作为上部结构的嵌固部位，又可尽快避免室外温度变化对侧壁的影响。
4、.结束语
由于存在防水问题和建筑功能上的要求，对于地下室结构建筑师以及建设方希望不设缝或尽量少设缝。在超长地下室结构中出现不同程度、不同形式的裂缝，这是一个相当普遍的现象。要根据现场的实际情况进行动态控制,分区域采取相应的技术措施,以保证整个项目的总体施工质量达到设计要求。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。